Измерение высокого напряжения шаровым разрядником

Из теории газового разряда известно, что разрядное напряжение воздушных промежутков зависит от расстояния между электродами. Подключив такой промежуток к источнику высокого напряжения и измерив расстояние между электродами, при котором произошел разряд, можно определить величину приложенного напряжения. Однако необходимо иметь в виду, что зависимость разрядного напряжения от расстояния имеет статистический характер, причем величина разброса разрядных напряжений при заданном расстоянии существенно зависит от степени неоднородности поля между электродами. Наименьшими разбросами обладают промежутки со слабо неоднородным полем, поскольку в них напряжение возникновения самостоятельного разряда мало отличается от разрядного напряжения.

Наиболее распространенными промежутками со слабо неоднородным полем являются шаровой разрядник и промежуток между электродами Роговского. Однако на практике для измерения высоких 200.

напряжений применяются только шаровые разрядники. Электроды Роговского имеют более сложную форму, что затрудняет их изготовление. Кроме того, нарушение соосности между электродами Роговского при измерении высокого напряжения приводит к большим погрешностям, чем при использовании шарового разрядника, поскольку это связано с искажением электрического поля в промежутке.

Рис. 5.4. Схемы включения измерительного шарового разрядника: а — симметричная; б — несимметричная Шаровой разрядник как измерительное устройство весьма распространен в учебных, научно-исследовательских и промышленных лабораториях высокого напряжения благодаря простоте и приемлемой для практики точности измерений. Наличие в лаборатории шаровых разрядников разных диаметров обеспечивает измерение широкого диапазона напряжений, включая очень высокие, для которых изготовление электростатических киловольтметров представляет большие трудности.

Для практических целей вследствие отсутствия простой аналитической зависимости разрядного напряжения между шарами от расстояния используются таблицы, полученные путем тщательной обработки экспериментальных данных специальных измерений, проведенных во многих лабораториях мира. В этих таблицах указаны разрядные напряжения (максимальные значения) при нормальных атмосферных условиях: давление 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), температура 293 К (20°С).

На практике при испытании изоляционных конструкций применяют как симметричное (рис. 5.4, а), так и несимметричное (рис. 5.4,6) включение измерительного шарового разрядника. При симметричном вклю-чении разрядное напряжение промежутка не зависит от полярности, поскольку оба шара находятся в одинаковых условиях по отношению к земле. При несимметричном включении, когда один из шаров заземлен, наблюдается аффект полярности из-за более высокой напряженности ноля на поверхности незаземленного шара. Этот эффект ввиду незначительности при измерении напряжения постоянного тока практически не учитывается. При измерении импульсных напряжений влияние полярности сказывается значительно сильнее.

При измерении высокого напряжения чаще всего применяется схема несимметричного включения шаров. Максимальные значения разрядного напряжения измерительных шаровых разрядников при заземлении одного из шаров для нормальных атмосферных условий приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1.

Пятидесятипроцентные разрядные напряжения шарового разрядника U, кВ.

Окончание табл. 5.1.

Примечания: а — для переменных синусоидальных напряжений, напряжений постоянного тока обеих полярностей, полных стандартных и более длинных импульсных напряжений отрицательной полярности; б — для полных стандартных и более длинных импульсных напряжений положительной полярности.

Шаровой разрядник позволяет проводить измерения с погрешностью, не превышающей ± 3%. Однако при этом необходимо соблюдать ряд условий:

1. На электрическое поле между шарами оказывают влияние заземленные и незаземленные предметы, окружающие разрядник. Погрешность измерения напряжения будет зависеть от расстояния до этих предметов. Поэтому разрядник следует располагать так, чтобы условия измерений соответствовали условиям, при которых были получены разрядные напряжения в табл. 5.1. Для этого расстояние от точки возникновения разряда (точки с наибольшей напряженностью поля) до земли А и окружающих предметов В (рис. 5.5) должны соответствовать требованиям, приведенным в табл. 5.2.

Рис. 5.5. Расположение измерительного шарового разрядника.

Нормированные расстояния, А и В в зависимости от диаметра шара

Таблица 5.2.

2. Для снижения влияния проводов, соединяющих разрядник с источником измеряемого напряжения, на точность измерений целесообразно подводить эти провода в направлении, перпендикулярном к 204.

оси разрядника, и удалять их от шара на величину, не меньшую, чем диаметр шара.

3. Гарантированная точность измерений (погрешность, не превышающая ± 3%) может быть получена только при обеспечении расстояния S между шарами в пределах 0,050 <5 <0,50. При расстоянии между шарами свыше 0,50 погрешность возрастает из-за увеличения неоднородности поля, однако иногда допускается производить измерения при 0,50 < S < 0,750. Значения разрядного напряжения при этих расстояниях в табл. 5.1 указаны в скобках.

Уменьшение расстояния S ниже 0,050 также вызывает существенное возрастание погрешности измерений вследствие большого влияния нссоосного закрепления шаров, а также неточностей при изготовлении шаров и местных неоднородностей их поверхности.

• 4. Срабатывание измерительного шарового разрядника приводит к короткому замыканию в испытательной установке. Для ограничения тока короткого замыкания, который может повредить испытательную установку, а также привести к оплавлению поверхности шаров, последовательно с разрядником должен включаться защитный резистор R (рис. 5.5). Этот резистор одновременно служит для подавления высокочастотных колебаний, которые могут возникнуть при мощных частичных разрядах на испытуемом объекте в контуре, образованном емкостями шарового разрядника и испытуемого объекта и индуктивностью подводящих проводов. Наложение таких колебаний на постоянное напряжение или напряжение промышленной частоты может вызвать преждевременное срабатывание разрядника и резкое возрастание погрешности измерений шарового разрядника. Величина R зависит от измеряемого напряжения и составляет 1−10 Ом/В.
• 5. Высокая точность измерения напряжения может быть обеспечена при соответствующем состоянии поверхности шаров. Поэтому прежде чем приступить к измерениям напряжения переменного и постоянного токов, необходимо дать несколько предварительных разрядов для приведения поверхности шаров, а также промежутка между шарами в рабочее состояние. Рекомендуется повторять предварительные разряды до тех пор, пока разброс в срабатывании разрядника (при неизменном значении приложенного напряжения), измеряемый по вольтметру на первичной стороне испытательного трансформатора, не войдет в пределы ± 3%.

После приведения поверхности шаров в рабочее состояние между ними устанавливают расстояние, несколько большее разрядного. Затем испытательную установку включают под напряжение и производят плавное уменьшение расстояния между шарами до пробоя. Скорость сближения шаров не должна превышать 1% диаметра шара в секунду. По результатам нескольких измерений определяют среднее разрядное расстояние, затем с помощью табл. 5.1 находят значение прибивного напряжения, оно должно быть приведено к атмосферным условиям, при которых производятся измерения.

Другой способ измерения напряжения заключается в сохранении неизменным расстояния между шарами и плавном увеличении напряжения до разряда. При этом скорость подъема напряжения должна быть такой, чтобы разряд происходил не ранее, чем через 30 с после начала подъема.

Если измерение производится при отклонении атмосферных условий от нормальных, то для получения истинного разрядного напряжения между шарами необходимо ввести поправку к" к табличному значению в зависимости от плотности воздуха S (табл. 5.3). Фактическое разрядное напряжение при испытаниях вычисляется путем умножения табличного значения напряжения на поправочный коэффициент к_п: U =и_уа6лк_п.

Относительная плотность воздуха определяется по формуле.

где р — атмосферное давление, Па; t — температура окружающего воздуха, °С.

Зависимость поправочного коэффициента А, от относительной плотности воздуха S

Таблица 5.3.

С помощью шарового разрядника можно измерять не только напряжение промышленной частоты и постоянного тока, но и максимальное значение импульсов напряжения. Как известно, для координации изоляции наибольшее значение имеют се вольт-сскундныс характеристики. Экспериментальное построение вольт-секундных характеристик достаточно трудоемко и требует применения осциллографической аппаратуры. Поэтому в некоторых случаях координацию изоляционных промежутков проводят по 50%-ным разрядным напряжениям, представляющим собой максимальные значения таких импульсов напряжения, многократное приложение которых приводит к пробою в 50% всех случаев. Эти напряжения незначительно превышают минимальные импульсные разрядные напряжения и соответствуют горизонтальному участку вольт-секундпой характеристики и времени предразряда 6−10 мкс.

Такие 50%-ное разрядные напряжения с достаточной для практики точностью можно определять с помощью измерительных шаровых разрядников, подключаемых параллельно испытуемому объекту. Емкость разрядников, достигающая 50 пФ, может оказывать влияние на форму испытательного импульса напряжения. Поэтому в процессе испытаний разрядник должен быть постоянно подключен к объекту. При проведении испытаний изоляции 50%-ным разрядным напряжением расстояние между шарами увеличивают на 10−20 %, что незначительно уменьшает емкость разрядника и предотвращает его пробой. В дальнейшем при измерении этого напряжения расстояние между шарами уменьшают, добиваясь того, чтобы в 50% случаев разрядник пробивался. Включение испытуемого объекта параллельно измерительному шаровому разряднику не может исказить результаты измерений, поскольку разряд в слабонеоднородном поле между шарами происходит вблизи максимального значения импульса, а разряд в резконеоднородном поле испытуемого объекта — на хвосте импульса, т. е. при значительно большем предразрядном времени.

В соответствии с ГОСТ 17 512–82 при измерении 50%-ного разрядного напряжения расстояние между шарами разрядника изменяется ступенями, составляющими 2−5% расстояния для ожидаемого измеряемого напряжения. На каждой степени к объекту прикладывается не менее 10 импульсов с интервалами, превышающими 5 с. Измеряемое 50%-ное напряжение определяется с помощью нормальновероятностной бумаги путем интерполяции результатов, полученных на двух или более напряжениях. При одном расстоянии между шарами должно быть 1−4 разряда между шарами при воздействии 10 импульсов, а на другом — 6−9. По определенному интерполяцией значению расстояния между шарами, при котором происходит 50% разрядов, определяют 50%-ное разрядное напряжение, воспользовавшись табл. 5.1.

При измерении импульсных напряжений, как и для напряжений постоянного и переменного токов, в цепь измерительного шарового разрядника должен быть включен защитный резистор /?, который необходим для демпфирования высокочастотных колебаний в контуре, состоящем из емкости разрядника и индуктивности подводящих проводов. Такие колебания могут вызвать преждевременный пробой разрядника и увеличить ошибку измерения. Наличие резистора R, кроме того, уменьшает крутизну среза импульса напряжения при срабатывании разрядника, что является особенно важным при испытаниях объектов, имеющих витковую изоляцию. Вместе с тем включение резистора R приводит к возникновению погрешности из-за падения напряжения на нем вследствие протекания тока, определяемого емкостью разрядника. Поэтому сопротивление резистора R при измерении импульсных напряжений не должно превышать 500 Ом.

При измерении напряжений с амплитудным значением ниже 50 кВ шарами всех размеров и в каждом случае при измерении шарами диаметром 12,5 см и менее необходимо дополнительное облучение шарового искрового промежутка. Это дает возможность получать результаты измерений с малым разбросом. Образование начальных электронов путем облучения промежутка может производиться:

• а) радиоактивным препаратом, который находится внутри незаземленного шара вблизи точки пробоя, радиоактивность препарата должна быть нс менее 0,75−10¹⁰ Бк (0,2 мКи), желательно на уровне 2−10'°Бк (0,6 мКи);
• б) ртутной кварцевой лампой, установленной на расстоянии В от шарового разрядника гак, чтобы свет падал на ту часть поверхности шара, с которой начинается разряд; согласно рекомендациям МЭК мощность и ток ртутной кварцевой лампы должны быть не менее 35 Вт и 1 А;
• в) рентгеновской трубкой, располагаемой аналогично кварцевой лампе или радиоактивному изотопу.

Способы облучения радиоактивным препаратом или рентгеновской трубкой нс нашли широкого применения и используются только в исследовательских работах. Это объясняется необходимостью применения сложных эффективных защитных мер при обращении с радиоактивными препаратами и рентгеновскими трубками.

Ввиду того, что процесс измерения напряжения шаровым разрядником является достаточно трудоемким, измерительный шаровой разрядник, как и абсолютные киловольтмстры, применяется на практике в основном для градуировки других технических измерительных приборов.